电气工程基础第1章概论

第1章概论电气工程基础22020/2/5第1章概论1.1电力系统的基本概念1.2发电厂和变电所的类型1.3电力系统的电压与电能质量1.4电力系统中性点的运行方式32020/2/51.1电力系统的基本概念一、电力系统的形成1.电力系统:是指完成电能生产、输送、分配和消费的统一整体。图1-1从发电厂到用户的送电过程42020/2/5图1-2电力系统示意图工业企业供电系统52020/2/5通常将220kV及以上的电力线路称为输电线路，110kV及以下的电力线路称为配电线路。配电线路又分为高压配电线路（110kV）、中压配电线路（6～35kV）和低压配电线路（380/220V）。地方电力网：电压为110kV以下的电力网（如35kV、10kV等）区域电力网：电压为110kV以上的电力网（如220kV）超高压远距离输电网：电压为330～500kV及以上的电力网发电厂：生产电能，将一次能源转换成二次能源（电能），分为火、水、核、风、太阳、地热等发电厂。电力网：由不同电压等级的输电线路和变压器组成，可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网三种类型。110kV属于地方网还是区域网，要视其在电力系统中的作用而定62020/2/5二、建立大型电力系统的优点1．可以减少系统的总装机容量。2．可以减少系统的备用容量。3．可以提高供电可靠性。4．可以安装大容量的机组。5．可以合理利用动力资源，提高系统运行的经济性。目前，我国电力系统已形成东北、华北、华东、华中、西北、南方共6个跨省电网，由两大集团分别管理。72020/2/52.年发电量：指系统中所有发电机组全年发出电能的总和，以兆瓦时（MW·）h、吉瓦时（GW·）h、太瓦时（TW·h）计。3.最大负荷：指规定时间内电力系统总有功功率负荷的最大值，以兆瓦（MW）、吉瓦（GW）计。4.额定频率：50Hz5.电压等级：指系统中电力线路的额定电压，以千伏（kV）计。1MW·h=103kW·h（千度），1GW·h=103MW·h（100万度）1TW·h=103GW·h（10亿度），1kW·h=1度三、电力系统的基本参量1.总装机容量：指系统中所有机组额定有功功率的总和，以兆瓦（MW）、吉瓦（GW）计。1GW=103MW（10万千瓦）1MW=103kW（1000千瓦）82020/2/5四、电力系统的特点1．电能不能大量储存。2．电力系统的过渡过程十分短暂。3．与国民经济各部门的关系密切。1．保证供电的可靠性。2．保证良好的电能质量。五、对电力系统的基本要求3．为用户提供充足的电能。4．提高电力系统运行的经济性。92020/2/51.2发电厂和变电所的类型一、发电厂的类型（1）火电厂的燃料：煤炭、石油、天然气等。（2）能量转换过程：燃料的化学能→热能→机械能→电能。（3）火电厂的组成：燃烧系统（锅炉）：燃料→灰渣，风（空气）→烟气电力系统：发电机、变压器、输电线路等。（4）火电厂的生产过程（见图1-3）汽水系统（汽轮机）：水蒸汽、循环水（冷水热水）1．火力发电厂102020/2/5图1-3凝气式火电厂生产过程示意图112020/2/5（5）火电厂是我国目前最主要的电源，比例大于75%。江苏谏壁发电厂（6）火力发电存在的问题（7）今后火电建设的重点采用高参数、大容量、高效率的设备。开发清洁煤燃烧发电、天然气蒸汽联合循环发电。鼓励热电联产。加强煤炭基地的矿口电厂建设。安全问题：采矿和运输中的安全性灾难等。环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等。效率问题：凝汽式火电厂效率为40%，热电厂为60%~70%。张家口发电总厂浙江北仑发电厂122020/2/5（1）水电厂的能量转换过程：水的位能→机械能→电能。（2）水电厂的总发电功率：QHP8.9（3）水电厂的分类堤坝式水电厂引水式水电厂：溪洛渡水电站抽水蓄能电站：潘家口水电站、辽宁蒲石河坝后式：如三门峡、刘家峡、丹江口、三峡水电站河床式：如葛洲坝水电站2．水力发电厂132020/2/5图1-4堤坝式水电厂生产过程示意图（4）水电厂的组成：水库、水轮机、电力系统142020/2/5（5）水电厂是我国目前最重要的电源之一，比例大于10%。葛洲坝水电站南美伊泰普水电站长江三峡水电站广州抽水蓄能电站（6）水力发电的优点是最干净的能源之一。是最廉价的能源之一：无需燃料、无环境污染、生产效率高、发电成本低、运行维护简单。综合水利工程：可同时解决发电、防洪、灌溉、航运、水产养殖等问题。特殊的水电厂：抽水蓄能电厂，起“削峰填谷”作用。152020/2/5（7）水力发电存在的问题建设问题：投资大、工期长，存在库区移民、淹没耕地、破坏人文景观、破坏自然生态平衡等问题。运行问题：发电量受气象、水文、季节水量变化的影响较大，分丰水期和枯水期，出力不稳定，增加电力系统运行的复杂性。3.核电厂（1）核电厂的能量转换过程：核燃料的裂变能→热能→机械能→电能。（2）核电厂的组成：核反应堆、汽水系统（汽轮机）、电力系统162020/2/5（3）核反应堆的分类：轻水堆（包括沸水堆和压水堆）、重水堆和石墨冷气堆等。轻水堆核电厂的生产过程示意图如图1-5所示。图1-5轻水碓核电厂生产过程示意图a）沸水碓b）压水碓热力系统由单回路构成，有可能使汽轮机等设备受放射性污染由双回路系统构成，两个回路各自独立循环，不会造成设备的放射性污染172020/2/5（4）核电厂是我国目前最重要的电源之一，比例大于10%。秦山核电站大亚湾核电站（压水堆）（5）核电迅速发展的原因核电是一种新型的巨大能源。煤、石油等火电燃料储量有限，不可再生。发达国家的水资源已基本殆尽。一些资源贫乏国家“能源危机”，不得不发展核电。（6）核能发电的优缺点节省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料运输。不需空气助燃，可建在地下、水下、山洞或空气稀薄地区。182020/2/5比火电厂造价高，但发电成本低30%～50%，且规模越大越合算。存在问题：放射性污染。4、其它新能源发电（1）太阳能发电：太阳光能或太阳热能→电能太阳能发电系统的组成：电池板、控制器和逆变器太阳能发电的优点是一种取之不尽、用之不竭的廉价能源。不需要燃料、生产成本低、不产生污染受季节、昼夜、地理和气象条件的影响较大。192020/2/5太阳能光伏电源在西部地区应用广泛。（青海、新疆）我国的太阳能光伏发电产业于20世纪70年代起步，2007年底累计装机容量只有100MW。（2）风力发电：风力的动能→机械能→电能风力发电的优点西部地区的风能资源占全国的50%以上。（青海、甘肃、新疆、内蒙、云南、西藏等）新疆达板城风电厂是一种取之不尽、用之不竭的自然能源。有一定的随机性和不稳定性，因此必须配有蓄能装置。202020/2/5（3）地热发电：地热能→电能电能生产过程：与火电厂相似，用地热井取代锅炉设备。地热资源的开发利用在西部地区已取得了良好的效益。西藏羊八井电厂（4）潮汐发电：海水涨潮或落潮的动能或势能→电能。潮汐发电示意图江厦潮汐电站法国郎斯潮汐电站我国正在运行发电的潮汐电站共有8座（浙江4座，山东、江苏、广西、福建各1座）212020/2/5变电所：是变换电压和接受分配电能的场所。分为区域变电所、地区变电所和终端变电所等。配电所：只接受和分配电能，不变换电压。电力用户：消耗电能，将电能转换成其他形式能量。2．工业企业供电系统二、变电所的类型配电所：只接受和分配电能，不变换电压。工厂供配电系统：由总降压变电所、高压配电线路、车间变电所、低压配电线路及用电设备组成。222020/2/5区域变电所：电压等级高，变压器容量大，进出线回路数多，由大电网供电，高压侧电压为330～750kV，全所停电后，将引起整个系统解列甚至瓦解；地区变电所：由发电厂或区域变电所供电，高压侧电压为110～220kV，全所停电后，将使该地区中断供电；终端变电所：是电网的末端变电所，主要由地区变电所供电，其高压侧为35～110kV，全所停电后，将使用户中断供电。总降压变电所：将35～110kV的供电电压变换为6～10kV的高压配电电压，给厂区各车间变电所或高压电动机供电。232020/2/5车间变电所：将6～10kV的电压降为380/220V，再通过车间低压配电线路，给车间用电设备供电。配电线路：分为厂区高压配电线路和车间低压配电线路。车间变电所可分为以下几种类型（图1-6）：附设式变电所（1~4）车间内变电所（5）独立变电所（7）露天变电所（6）地下变电所杆上变电所图1-6车间变电所的类型242020/2/5用电设备的额定电压：与同级电网的额定电压相同。发电机的额定电压：比同级电网的额定电压高出5%，用于补偿线路上的电压损失。1.3电力系统的电压与电能质量一、电力系统的额定电压电力网的额定电压：我国高压电网的额定电压等级有3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV、220kV、330kV、500kV等。图17供电线路上的电压变化示意图图1-7为供电线路上的电压变化示意图。252020/2/5变压器的二次绕组：对于用电设备而言，相当于电源。变压器的额定电压变压器的一次绕组：与线路相连。相当于是用电设备，其额定电压应与电网的额定电压相同。当变压器一次绕组：直接与发电机相连时，其额定电压应与发电机的额定电压相同。即：高于同级电网电压5%。262020/2/5当变压器二次侧供电线路较短时：应比同级电网额定电压高5%当变压器二次侧供电线路较长时：应比同级电网额定电压高10%我国公布的三相交流系统的额定电压见表1-1。其中5%用于补偿变压器满载供电时一、二次绕组上的电压损失；另外5%用于补偿线路上的电压损失，用于35kV及以上线路。可以不考虑线路上的电压损失，只需要补偿满载时变压器绕组上的电压损失即可，用于10kV及以下线路。272020/2/5~T1GT2110kV10kV6kVM发电机G的额定电压：UN·G=1.05×10=10.5（kV）变压器T1的额定电压：U1N=10.5（kV）U2N=1.1×110=121（kV）变压器T1的变比为：10.5/121kV变压器T2的额定电压：U1N=110（kV）U2N=1.05×6=6.3（kV）变压器T2的变比为：110/6.3kV例1-1已知下图所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，其一次侧的额定电压应与发电机的额定电压相同变压器T1的二次侧供电距离较长，其额定电压应比线路额定电压高10%变压器T2的二次侧供电距离较短，可不考虑线路上的电压损失282020/2/5二、电压等级的选择220kV及以上：用于大型电力系统的主干线。110kV：用于中小型电力系统的主干线。35kV：用于大型工业企业内部电力网。10kV：常用的高压配电电压，当6kV高压用电设备较多时，也可考虑用6kV配电。3kV：仅限于工业企业内部采用。380/220V：工业企业内部的低压配电电压。电力网的额定电压、传输功率和传输距离之间的关系见表1-2292020/2/5三、电能质量电压偏差是指用电设备的实际电压与额定电压之差，用占额定电压的百分数来表示电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。频率偏差额定频率：50Hz允许偏差：正常允许偏差为±0.2Hz，当容量较小时可放宽到±0.5Hz我国现在基本上±0.1Hz。电压偏差%100%NNUUUU1.电能质量的概念302020/2/5电压偏差的危害白炽灯：电压低时，寿命延长，但发光效率降低，照度下降；电压高时，发光效率增加，但使用寿命大大缩短。，电压低时，转矩将急剧减小，电流由于2UM电动机：增大，使电动机绕组绝缘过热受损，缩短使用寿命。电压波动与闪变电压波动是指电网电压短时、快速的变动，用电压最大值与最小值之差对电网额定电压的百分比表示，即%100%minmaxNUUUU31202